光学传感器的制作方法

专利名称：光学传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及气体、液态或其它流体的光学测试的传感器，尤其涉及能够观测小空间中大量流体样品(包括但不限于流体流)的吸收谱、荧光谱或拉曼谱、折射系数或其它光学特性的传感器。具体地，可期望本发明允许同时测试横截面面积为一平方英寸(650mm2)的柱体中多达约10,000个流体样品。
可观测的其它光学特性包括在单个波长下或有限个波长中的每个波长下的吸收/透过或发射幅度。本发明特别适于观测连续流动的流体流的一个或多个光学特性的变化，或者适于比较多个这种流的光学特性。
仅作为示例，本发明可用于大量药物候选物质、未知的待检危险物质或微生物、或者从许多分布源收集的污染物的检测、识别、化验和/或显示。
背景技术：
光纤已用于将探测光传输到待测样品和/或将从样品发射的光传输到探测器，且一些作者已经提出使用一束光纤制作一个较小测试器件阵列；但是据本申请人所知，迄今为止尚未有人提出将相应的较大数目的流体样品或流置于测试单元的有效方法。

发明内容
本发明的一个方面是光学传感器，包括至少一个包括多个光纤和多个独立的密封纵向延伸管的束；以及流体连接器，用于将流体选择性地引入到所述管的至少一部分中。
大多数情况下，管和光纤将在同一束中(或者在各个束中都将存在管和光纤)，但是在本发明的一些形式中，所有光纤可在一个束中而所有管在另一个束中，如下所述。
光纤可以是包括封闭在折射系数较低的包层中的折射率较高的芯、并具有或没有附加外层的常规类型，在此情形中管可以是
(a)由成束光纤之间的间隙形成或容纳其中；(b)与光纤捆扎成束，通常但不必具有相似的横截面尺寸；(c)在单独的束中；或者有可能是这些中一个以上。
它们也可以是具有实芯并由纵向延伸、可任选地像光子晶体光纤一样排列成周期阵列的空隙包覆的多孔类型；则这些空隙可用于形成至少一部分管，但是另外可存在其它附加管。
最特别地，它们可以是光子带隙光纤，其中光波导由光子晶体结构中纵向延伸的空隙“缺陷”形成，该空隙缺陷用于形成至少一部分管。
此外，对于一些应用，光纤可以是空心的，且在较低折射系数的包层内可具有或不具有高折射系数的内环形层；如果没有内环形层，则要引入到光纤中心空隙的流体需要具有足够高的折射系数以便于它自己用作光纤芯。
当使用常规光纤时，可任选地对它们的末端进行蚀刻和/或涂敷以形成反射镜。在彼此靠近对齐时两个这种末端可形成法布里-珀罗腔，以通过增加局域光强来增加灵敏度。
本发明的另一方面是光学传感器，包括至少一个束，包括定义其中至少一部分基本上与相应所述光纤的光模重叠的多个单独密封纵向延伸管的多个光纤；以及流体连接器，用于将流体选择性地引入所述管的至少一部分中，以在基本上所述束的整个长度上与所述光模相互作用。
因此本发明的该方面按需提供基本上与长度为几英尺或甚至几英里(米或公里)的束一样长的测试单元，从而允许对在流体中出现的极低浓度的物种进行探测和测量。
本发明的再一方面是光线传感器，包括至少一个包括多个光纤和多个独立的密封纵向延伸管的束，该束具有一个末端；流体连接器，用于将流体选择性地引入到所述管的至少一部分中；以及将定义各个与至少一个所述光纤透光对齐的多个单元、并与至少一个所述管连通的阵列部件密封在所述末端。
较佳地，束(或各个束)的末端基本上是平面的，且阵列部件是具有定义元件的适当形状(多种形状)和尺寸的孔或凹口的盘状元件。在一些情形中，阵列部件较佳地与束材料相同并永久地密封于其上；在其它情形中，它较佳地并有必要是在压力下可拆卸地固定的弹性材料以保持所需密封。
根据本发明该方面的单个光纤束可用多种方法使用(a)将流体和探测光输送到相应单元，且或多或少地直接将光探测器阵列施加在阵列部件的相对一侧；或者(b)将流体输送到相应单元、并将光从这些单元传输到远程探测器，所有单元由在阵列部件相对一侧的单个光源照亮；(c)将流体输送到相应单元、并将光从这些单元传输到远程探测器，各个单元由阵列单元相对一侧的光源阵列的相应光源照亮；或者(d)将流体输送到相应单元并将光从远程光源传输到这些单元以及使用在阵列部件相对一侧的至少一个反射器将光从这些单元传输到远程探测器。
在各个这些情形中，倘若一个单元与束中至少两个管连通，则该束也可任选地在感测之后将流体运输走。否则，除非将流体直接从阵列部件排出是可以接受的，需要在阵列部件的另一侧设置相应的管阵列。
或者，传感器包括第一或第二光纤束，阵列部件的每一侧各一束，使得光从第一束的光纤通过在阵列部件中形成的测试单元传输到第二束的光纤。在这种情形中，如同特定情形中发现便利的一样，流体可由相同或不同束中的管引入或输送走。在一些应用中，在阵列部件一侧具有一个以上的束是有益的，各个阵列部件与另一侧单个束的横截面面积的一部分接合。
在大多数情形中，极佳的是在流体进入或离开束的末端或各个末端，将光纤连接到被穿孔以允许流体通过的光学元件阵列(具体地是光源、光探测器或反射器阵列)。然后可将管的匹配束(没有光纤)连接到光学元件阵列的相对一侧，并整形成“上端逐渐变细”以便于克服否则与各个管的流体连接的困难提供。
本发明的附加特性和优点将在以下详细描述中阐述，且对于本领域技术人员而言通过描述将部分地容易变得显而易见或通过实施本文所述的包括以下详细的说明书、权利要求书以及附图的本发明而获知。
应该理解以上概述和以下详述示出了本发明的实施方式，且旨在提供用于理解权利要求书中所要求的本发明的性质和特征的概述或框架。附图被包括在内以提供对本发明的进一步理解，并被结合其中以构成本说明书的一部分。附图示出本发明的各种实施方式，并与说明书一起用来说明本发明的原理和操作。


图1-9的每一个是可用于本发明的一个束横截面的典型部分的示意端视图；图10-14的每一个是可用于本发明的传感器的阵列部件的一不同形式的示意图；图15-20的每一个是根据本发明的传感器的一不同形式的框图；以及图21是根据本发明的传感器的一部分的示意性表示，示出了制作与其相连的外部连接的示例性方法。
具体实施例方式
现在详细参考示出的本发明较佳实施方式，其示例在附图中示出。尽可能地，相同的参考标号在附图中指代相同或相似的部分。
图1示出包括传统光纤1的第一光纤束结构，光纤1各自包括芯2和包层3，它们排列成矩形网格并在接触处熔融或密封在一起，以形成(受到边界效应)为与光纤一样多的间隙管4。
图2示出除了由矩形横截面的光纤形成之外基本上相同的另一光纤束结构。
图3示出由除了间隙管4外各自在其芯内形成有中心管5的光纤形成的经更改束。通过调节温度/张力状况使得中心空隙不会过于靠近，这种光纤可通过从管状预制棒开始的任何公知光纤拉制技术无过度困难地制成。本本发明形式中的管5的直径受其内流体的折射系数和光学衰减要求限制。在损耗要求很低且折射系数接近空气(n＝1)的一个极限中，该直径需要接近待传输的光的波长(约1μm)。在该极限中，甚至在气态流体情形中流体流也相当受限制且流体成分中的任何可检测变化都会较慢。如果提供给管的流体的折射系数与芯2的相似或更高使得它作为光纤光芯的一部分(例如产生2阶分布光纤)或作为内约束芯，则更容易使用本发明形式。在一些这样的情形中，有可能无需实光芯、并允许流体本身形成光纤的芯。
在图4的束中，间隙管被去除(例如通过在组装前将光纤预制棒研磨成正方形截面，或者使用独立的填充棒)。如果如图所示这导致单体结构，则它本质上基本上是刚性的，而示出的其它结构则可保留一定柔度。
图5是多孔光纤6的阵列的高度图示化表示，除了间隙管4之外，各个多孔光纤6包括实中芯7以及包层，该包层靠近中芯、主要由被由少量固体材料(为了绘图简单，假设它与芯材料-较佳地使用折射率较低的固体-相同)支承的多个管8限定的空间组成。显而易见的是此类光纤的作用需要管8中的任何流体具有足够低的折射系数以保持光约束，并且如果不同管中的流体不同，则需要这些流体的折射系数充分相似以避免任何明显的不对称，但是受它们可彼此单独使用的限制。
图6示出光子带隙光纤9的阵列，光纤9各自包括在包含较小通道11的规则阵列的光子“晶体”内的中心透光空隙10，因此除了间隙管4之外还定义了两类管。在该结构中通常不期望将流体引入到通道11中，除非其折射系数与空气相近，因为它易于减少芯中的光约束，从而增加隧穿到包层中的损耗；空隙10可用作受到相对较少限制的管。
图7示出包括矩阵13内元件12的辅助阵列，且可用来表示(a)没有管的光纤阵列(元件12是纤芯)，与具有管的另一阵列(具有或没有光纤)一起使用；或者(b)没有光纤的管阵列(然则元件12是管)，与具有光纤的另一阵列(具有或没有管)一起使用。
迄今为止所述的束结构只使用光纤来定义管，并且或者具有相等数量的光纤和管，或者如果管比光纤多则至少一部分管与光纤的截面相比小得多。通常期望每条光纤设置两个相对较大管，一个提供流体而另一个将其排出，且图8和9示出如此实施的许多方法中的两种。在图8的结构中，束简单地包括示为具有与光纤1相同的直径从而整齐地与光纤捆扎成束的独立形成的管14。该图也示出该束可用紧密堆积代替与示出的大多数结构一样的矩形阵列的事实。图8的可选结构将独立形成的管15与两个钻孔16、16一起使用，且其尺寸和形状允许它们容纳于光纤1之间的间隙中。另一简单选择是在各个间隙中使用两个独立的、通常为三角形的管。
本发明的许多实施方式使用具有适当的孔和/或凹口图案、施加于光纤束末端或夹在两个光纤束之间、通常为平面的阵列部件，以使管相互连接并且/或者形成其中流体将与由光纤传导的光相互作用的单元。不仅取决于其施加的束或多个束的结构而且取决于要使用传感器的特定应用，孔和凹口的图案可相当大地变化。它们的设计过程是本领域技术范围内的常识，但是下面一些示例将示出一些方法。
图10示出图1的阵列，且阵列部件的一部分具有基本上为正方形、对角线设置的通孔(或凹口)17，各个通孔17的尺寸为形成一单元而设定，该单元与两个间隙管18和19连通使流体从其中之一流向另一个，并与两个光纤20和21光学连通以允许由光纤传送的光与流体相互作用，从而提供对各个流体样品的两种测量为确认而重复或者使用波长、波长范围(如果扫描)或其它光学特征不同的光进行不同的测量。一些类型测量的可选安排可使用两条光纤之一来引入探测光并使用另一条将发射光发送到探测器。
图11示出其上叠加有具有长方形凹口22的阵列部件的图3的束，长方形凹口22各自提供在光和流体之间的相互作用在管内发生(无论是否在阵列部件的单元中发生)的意义上是有源的轴管5与无源的间隙管4之间的连通，而图12示出各自延伸通过相应光纤1的末端并与两个邻近管14连通的有些相似的阵列部件形成单元23。
迄今为止所述的阵列部件具有带通孔的基本相同的横截面，即不同之处在于一端的实心或穿孔网(远离光纤束的一端形成或容纳与其连通的管)。在可能时，这对简易性和可靠性是较佳的。然而，可能存在这样的情形传感器包括具有对齐管的两个束，其中期望提供未对齐管之间的连通、或迫使对齐的单元之间形成间接路径(例如以确保流体不旁路单元的光学活性部分)。这可使用适当三维形状的阵列部件实现。这在图13和14中示出，且每个附图可视为基于其类型各自如图1所示的两个束24、25的传感器的选择。
图13的选择使用图案与图10所示的广泛相似的阵列部件26，但其中开口27是通孔并且端壁28倾斜地延伸，从而例如管28的任何单个管被设置成不与对齐的管(例如管29)连通、而是与在相邻光纤之一的相对一侧上的另一阵列的管(例如光纤31相对一侧上的管30)连通。这样，可确保流体通过轴向置于光纤31与33之间的活性区域32。
在图14的可选结构中，各个管(例如管28)确实与直接相对的管(29)连通，但是阵列部件26包括档板34以确保流体不会旁路活性区域32。
图15至18以框图形式示出其中可完成并使用根据本发明的具有单个光纤/管束的传感器的一些原理方法。在图15的实施方式中，穿孔光源和探测器阵列以及流体出入口的外部连接都置于束的远离阵列部件的一端，且传感器由阵列部件相对一侧的反射器实现。例如如果流体可能损坏光源或传感器的表面或者通过与它们接触而被污染，则这是期望的安排，但是需要附加的光学部件(例如微透镜、循环器、波分复用器/信号分离器或分束器-耦合器)以确保正确的光学路由和与光纤或来自光纤的有效耦合。在图16的实施方式中，将探测器阵列(例如光电二极管阵列)直接施加在阵列部件的远离束的一侧；这使光学连接简化。可将该排列反向，如图17所示，其中将激光阵列或其它光源直接施加在光纤远端的阵列部件和探测器阵列。垂直腔侧面发射激光阵列(VCSEL阵列)特别有利于该应用，但是也可使用激光二极管和经放大的自发发射光源；在一些情况中，有可能使用单个大面积光源甚至白炽灯来照亮整个阵列。图18示出流体从阵列部件一侧排出而非通过束中的管返回的可能性。这可能是适当、简化且便利的，例如如果流体是例如监控污染的空气或另一环境流体、且进行的观测不会由于在其通过测试元件后混合来自不同流的流体而受到破坏。
图19类似地示出基于不含管的一个光纤束和不含光纤的一个管束构建和使用根据本发明的传感器的一个方法。穿孔反射器与阵列部件相接触地使用，且光源和探测器阵列都位于光纤束的远端、并且流体入口和出口位于管束的远端。
图20示出使用各自都包含光纤和管的两个束的一个排列；光源阵列和流体出口位于一端而探测器阵列和流体入口位于另一端。实际上如果需要则有可能使流体流的相对方向反向。如果需要，也有可能使不同管中的流体流具有相反的方向，并且/或者使不同光纤中传播的光具有不同的方向。
本发明中使用的玻璃光纤束和/或玻璃管束可基于简单部件形状的组装和共同拉制和/或更复杂形状的挤压通过公知技术制成。在一些情形中，与阵列部件相接触的束的一端可逐渐变成比其另一端更小(或更大)的尺寸。在阵列部件也可以是玻璃时，它可制成对应于中间拉制阶段的尺寸、并在最终拉制之前粘合于束或多个束。
显而易见的是在一些情形中，制作与本发明传感器的光学和流体连接是具有挑战性的任务。如上指出，在可能时，极佳地是通过在传感器的要进行流体连接的一端或两端使用光学元件的穿孔阵列而将任务简化。由于对特定传感器适用，这种阵列可施加于阵列部件或直接施加于束的末端，并可包括光源、光探测器或反射器或者原理上它们中的一个以上，虽然实际上包括光源和光探测器两者可要求独立穿孔基板彼此堆积在一起(并且由于更靠近光纤束的基板厚度，可能需要微透镜或其它光学校准装置来确保与另一基板上的光学元件的令人满意的光学耦合)。
当流体连接以该方法与光路分离时，如所期望地引导它们变得相对容易，因为很容易有可能将仅包括管(仅表示没有光纤)的、渐变(taper)成一端匹配穿孔阵列的尺寸而另一端则大很多的辅助束施加在基板的距离束最远的一侧。这种辅助束可通过基本上与对制作主束所述的基本上相同的堆叠-拉制技术但仅在其长度部分充分拉制而制成。图21是这种渐变辅助束36的示意性表示，为清楚起见仅示出一部分管并预先大大截短了该束。较窄部分37可以是与示为图7的解释(b)的束结构基本上相同、并用于例如图19所示的传感器；结构中其余部分相同，不同之处仅在于中间部分38逐渐且成比例地横向增大、直到在其宽端39管40足够大以应对特定应用适当且方便而方便地连接到具有整体或分离的角的各个柔性或弯曲的管道41或管道42。
存在其中不可能在束的一端使用匹配的光源阵列或光探测器阵列的情形，例如因为所需特性的光不能从半导体光源中获得，而需要-例如-气体激光器，或者因为光的相关特性不能通过半导体光探测器检测而可能需要-例如-光电倍增装置。作为通过精确微工程技术将各个管道和各个光纤密封到束的末端的可选方案是将辅助管束粘合于束的末端，该辅助管束与结合图21所述的相似，但是除了与管对齐的那些外各个光纤末端有一个管与之对齐。然后将光纤44的预制端插入到适当管的较宽末端中并伸到它们基本上邻接并耦合于束中的光纤。
应用示例使用图3或图4或图5的光纤/管束、适当地(在各个情形中并在其它可能中)具有图11所示的阵列部件和图16的排列的根据本发明的传感器可用于制作用来对于多种污染物(意外的或有毒的)连续监控建筑物中和/或室外区域附近的多个位置的空气的紧凑型传感器。光纤束相当长(例如25码(或米)的量级)以提供检测低水平的污染的灵敏度。将来自各个采样点的空气通过管输送到光纤束的一端，并在此处分配到光纤的活性部分内的管，各样品进入不同的多个光纤。不同的光源/探测器范围用于该多个光纤中的各个光纤，但是没有必要用于全部，因为可能需要重复测试来确认结果。例如，光源可以波长不同、或可在不同的波长范围上扫描、且可设置探测器以测量光吸收、散射、荧光、闪烁(不需要光输入)或者可以是不同化学、放射或生物污染物的特性的其它效应。如果潜在污染物的性质使其成为必要或需要，则可将化学试剂引入到各个流体流(或它们的组)中以允许或便于检测。
在另一应用中，图10的束和阵列部件可用于图15的排列中，以便于药物研究中的多配体结合测定(multiple ligand binding assay)反射器是可互换的、并印有不同固定受体分子的图案(例如条纹)，且配体溶液通过光纤束中的适当管来施加从而将各个配体提供该各个受体，其中对结合进行检测且按需通过光学观测关于程度(extent)和/或反应速率进行量化。在测定的性质所允许的程度上，待评估的材料(例如要识别的未知材料)较佳地固定于印制图案中，且用于测试的标准试剂较佳地通过管提供到溶液中。
若干潜在应用可使用在图20的排列中具有图14的阵列部件的图1的光纤束，其中光纤束24的表面上具有化学或生化显著涂敷。
在这些应用的一个分组中，该涂敷是便于随后的DNA、蛋白质、抗体或其它生化样品的印制和结合的主涂敷(其中的许多示例在生化领域中是公知的)。用于识别和/或测定样品的试剂通过管提供，且表面上的反应通过对吸收、荧光或折射系数的变化的测量来光学地观测。
在应用的另一分组中，表面涂敷是要检测物质的特征反应的催化剂，因此当直接的光谱观测被流体流中出现的其它物质遮挡时吸收的变化使检测能够进行。
当束中光纤的特性和要使用的观测技术使其成为可能并适当时，可选择性地蚀刻光纤末端，以形成可涂敷有反射器(如果必要)的凹口从而形成法布里-珀罗腔，以增加由阵列部件形成的单元中的光程长度以及因此增加检测灵敏度。例如，很容易蚀刻具有α值为2的渐变折射系数的典型锗掺杂二氧化硅多模光纤以形成具有接近抛物线的纵向横截面的腔，该形状是用于该目的的理想形状。
对于本领域技术人员显而易见的是可对本发明进行各种更改和变化而不背离本发明的精神和范围。因此本发明旨在覆盖本发明的更改和变化，只要它们落在所附权利要求书及其等效方案的范围内即可。
本文中对于本发明的背景技术的任何讨论被包括在内以解释本发明的环境。任何文献或信息称为“公知”时，仅仅表示它在本申请的日期之前对公众中至少一员是已知的。除非参考文献的内容另外明确地指明，否则不应认为该认知已在印刷出版物中表达，也不应认为它已经对在美国或其它任何特定国家(无论是否为PCT成员国)本发明相关的公众或本领域专家可用，同样不应认为已在做出本发明之前或任何优先权日期之前公知或公开。此外，不应认为任何文献或信息形成了世界范围内或任何国家中本领域的普遍常识的一部分，且不应相信其中任一文献或信息已然做到了这一点。
权利要求
1.一种光学传感器，包括至少一个包括多个光纤和多个独立的密封纵向延伸管的束；以及用于将流体选择性地引入所述管中的至少一部分的流体连接器。
2.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述光纤各自包括封闭在折射系数较低的包层中的折射系数相对较高的芯。
3.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述管由所述成束光纤之间的间隙形成。
4.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述管容纳在所述成束光纤之间的间隙中。
5.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述管与所述光纤捆扎成束。
6.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述光纤的末端经蚀刻形成法布里-珀罗腔。
7.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，各个所述光纤包括实心的芯和具有形成所述管中至少一部分的纵向延伸空隙的包层。
8.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述光纤是其中光波导通过在光子晶体结构中纵向延伸空隙“缺陷”而形成的光子带隙光纤，所述缺陷形成所述管中的至少一部分。
9.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述光纤是空心的。
10.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述束具有一个末端，且还包括密封于所述末端的一阵列部件，所述阵列部件定义与至少一个所述光纤透光地对齐的多个单元、并与至少一个所述管连通。
全文摘要
一种光学传感器包括至少一个包括多个光纤和多个独立密封纵向延伸管的束；以及用于将流体选择性地引入到所述管中的至少一部分的流体连接器。测试单元(a)由施加于该束末端、或夹在两个束的末端之间的具有孔或凹口的图案的阵列部件形成或者(b)在其中管与光纤光场交叠的情形中在光纤内形成。通常其它管用来将流体从测试单元中排出。
文档编号G02B6/46GK101048689SQ200580037174
公开日2007年10月3日 申请日期2005年10月26日 优先权日2004年10月29日
发明者A·F·伊万斯 申请人:康宁股份有限公司